Vetenskapsområdet för teknik och naturvetenskap

Kemifrågor

Nedanstående frågor kommer från elever i årskurs 6 och har ställts i samband med skolaktiviteten "Levande frågelådan". Vi har nu öppnat möjlighet för alla att ställa frågor. Vilken fråga skulle du vilja ha svar på? Till frågeformuläret

Varför är vatten blött?

Vatten är flytande om det inte har frysit till is. Bindningar mellan vattnets byggstenar (vattenmolekyler) är svaga och när vi rör oss genom vattnet bryts bindningarna tillfälligt så att vi kan röra oss i vattnet. Men dessa bindningar bildas strax därpå igen. Vår kropp består till stor del av vattan, även huden. När du badar så kommer vattenmolekylerna i vattnet att vilja binda sig till de vattenmolekyler som finns i din hud. Det är då som vi upplever det hela som att vattnet är blött.

Varför blir kakan hård när den kommer in i ugnen?

När man bakar är de viktigaste ingredienserna mjöl och vatten. Mjöl består av stärkelse som är ett kolhydrat, uppbyggt av mycket stora sockermolekyler, och proteinet gluten (det man kan vara allergisk mot). Proteiner är också stora molekyler. Gluten finns i olika mängd i olika sorters mjöl, mest i vete och minst i havre. När mjöl blandas med vatten kommer både stärkelse och gluten att suga upp vatten och svälla, man har fått deg där gluten är böjliga ”armeringsjärn” och stärkelse är ”lös cement” (klister).
När man värmer proteiner förstörs de och blir hårda, tänk på när man kokar eller steker ägg! Glutentrådarna i degen förstörs också när det blir varmt, de blir hårda. Dessutom torkar stärkelsen. I ugnen (eller på spisen) kommer degens glutenmolekyler att förstöras (de slutar att vara böjliga), stärkelseklistret ”härdar” och vatten avdunstar – degen blir till bröd. På ytan är det mycket varmare än inuti, där sker dessutom reaktioner som ger hårda brunfärgade produkter. 
När glutenmolekylerna blivit hårda kan de inte igen suga upp vatten och fungera som ”degarmeringsjärn”, så även fast man kan göra ”deg” både från mjöl och från bröd så kan man inte göra mjöl från bröd, och bara göra bröd en gång av samma mjöl.

Vad är det med bensin som gör att bilen fungerar?

Bensin är blandningar av olika små molekyler. Molekylerna tillhör samma storfamilj med tre grupper: familjen kolväten (innehåller bara grundämnena kol och väte), familjen alkoholer (innehåller dessutom syre) och familjen etrar (innehåller också syre men bundet på ett annat sätt än hos alkoholerna). Alla innehåller kemiskt bunden energi, och alla molekyler i en bensinblandning är mer eller mindre flyktiga.

Flyktigheten, att de lätt förångas, är en mycket viktig egenskap. Bensinen är ju en vätska när den hälls i tanken, men för att fungera i motorn måste molekylerna blandas med luftens syre till en lättantändlig, explosiv gasblandning. Det är vad som sker i motorns cylindrar. In kommer en blandning av luftmolekyler (syre och kväve) och de olika bensinmolekylerna (alla molekyler är vita på bilden). En kolv trycker samman gasblandningen, en gnista från tändstiftet tänder och blandningen brinner upp till koldioxid och vatten i en liten explosion som trycker ut kolven ur cylindern som i sin tur överför energin till resten av motorn. Totalt sett bildas fler molekyler vatten och koldioxid än antalet molekyler syre och ”bensin” som brunnit upp. 

Eftersom flyktigheten är en så viktig egenskap hos bensin så används olika recept vid olika årstider och för olika typer av bensin. Små molekyler förångas lättare, vid lägre temperatur, än större. Därför finns en högre andel små molekyler i bensinblandningarna på vintern än på sommaren.

Hur ofta uppdateras periodiska systemet?

Periodiska systemet uppdateras när nya grundämnen upptäcks. Vi anser idag att alla naturligt förekommande grundämnen är upptäckta. I stora dyra experimentanläggningar kan man dock tillverka tunga, kortlivade atomer ur lättare, därför fylls nu periodiska systemets ofullständiga 7:e rad på, inte i nummerordning och med flera års mellanrum.

Kan man trolla på riktigt (eller är det bara fejk)? Kommer det att finnas magi i framtiden?

Ingen kan trolla ”på riktigt”; ingenting kan bildas ur intet eller försvinna i intet. Däremot har de som kallar sig magiker eller trollkarlar övat sig att utföra trick så att en åskådare upplever tricken som ”riktigt” trolleri eller magi, men det är alltså ”bara” fejk. 

När man inte förstår det man (tycker sig) se eller på annat sätt upplever är det nära till hands att förklara det med att något magiskt inträffat. Mycket av det som ansågs som magi förr kan vi idag förklara eftersom vi nu har bättre kunskaper om hur vi och övriga naturen fungerar. Fortfarande finns ”magiska” fenomen som vi inte kan förklara, men jag är övertygad om att vi i framtiden kommer att kunna förstå även dessa.

Är det atomerna som spelar någon roll om ett material är starkt och på vilket sätt? 

Ja, det är atomerna, och speciellt deras bindningar till varandra, som är helt avgörande. Låt oss titta på ett exempel; diamant. Detta material är det starkast kända i naturen. Den minsta byggstenen i ett material är atomen (som en stenkula), och i diamant kallas dessa atomer för kolatomer. Nu binder sig dessa atomer till varandra med bindningar, för annars skulle ju materialet falla sönder och alla atomer "rulla iväg" år olika håll. I diamant så är dessa bindningar mycket starka och stela (kan liknas vid en glasstav). I andra mjukare material så kan dessa bindningar liknas vid tuggummiliknande pinnar. Om man nu försöker att bryta av en diamantbit så innebär det att man böjer bindningarna väldigt kraftigt, och eftersom de är starka så är det mycket svårt att göra detta. Till slut kan hela diamantbiten splittras upp eftersom bindningen är som en glasstång; starka men splittras lätt. I verkligheten kan man inte bryta av en diamantbit, bindningarna är för starka. Om man tittar på ett mycket mjukt material med tuggummiliknande bindningar så förstår man vad som händer om man förösker böja eller bryta detta material. Ta ett suddigummi som exempel. Eftersom bindningarna är så elastiska så böjer sig bindningarna lätt.

Vilket är det tunnaste materialet som finns?

I dag kan man inom materialvetenskapen tillverka extremt tunna material. Återigen kan jag nämna diamant. Andra exempel är kiselkarbid, bornitrid etc. Alla dessa material är mycket viktiga när man vill tillverka elektronikdelar för datorer, tv-apparater mm. När man tillverkar dessa material så växer man dem på ett annat material. De mest tunna materialen har en tjocklek på ungefär 1 nanometer, vilket jag nu skall försöka beskriva. Tänk dig att hela Sveriges längd (från norr till söder) är 1 meter. Då är en nanometer ca 2 mm.

Hur kan det bli en diamant av kol? Om diamant är det hårdaste ämnet, varför kan man då slipa en diamant?

Grundämnet kol förekommer i olika former, diamant är en av dem och grafit en annan. Diamant kan bildas från grafit vid hög temperatur och höga tryck (t.ex. djupt ned i berggrunden), och diamant övergår (mycket långsamt!) till grafit.

Stora kristaller av diamant och andra hårda ämnen kan slipas med små diamantkorn eller med små korn av andra, hårda ämnen. De små kornen sitter tätt på slipverktyget, de bildar tillsammans en stor skrovlig yta som kan slipa bort ojämnheter från den stora kristallens jämförelsevis släta yta.

Varför slösar man diamanter på knivar istället för ringar och halsband?

Det går inte att tillverka så stora diamanter som användes för ringar och halsband. Några tillverkare har på senare tid i och för sig lyckats med mindre smycken. Men de diamanterna har inte samma färg och lyster (briljans) som riktiga diamanter. De ser bara ut som glasbitar. Dessutom så blir det nästan lika dyrt att tillverka dessa små juveler som att gå till juveleraren och köpa dem. 

Varför använder man diamantbeklädda knivar? 

Jo, diamant är det hårdast kända naturliga materialet. Och man får alltså knivar som man kan skära hårda och sega material med, och som håller längre. När man belägger diamant på knivar så gör man det på ett fiffigt sätt ifrån en gas-blandning. Och då får man massor av extremt små diamanter (som kallas polykristallin diamant) som sitter ihop och som bildar ett mycket tunnt skikt på en kniv-yta.

Vad är diamant från början för något?
Den minsta beståndsdelen i diamant är kol-atomen. Dessa atomer binder vara och en till 4 andra kolatomer så att man får ett stort nätverk uppbyggt av kolatomer. Alltså måste man ha ett kol-rikt material från början när man skall göra diamant. I naturen så används kolatomer ifrån multnande växter och djur, vilka får ligga länge och till slut når ned (efter oerhört många år) till undre lager i jordskorpan. Där är det både mycket varmt, och man har ett högt tryck. Med tiden så bildas diamanter, vilka alltså kan brytas i gruvor (t. ex. i Sydafrika). Man kan också göra detta i laboratoriet enligt ett speciellt recept. Antingen använder man också då höga tryck och höga temperaturer, eller också kan man använda lägre temperaturer och tryck. Men man måste också i laboratorierna använda ämnen som innehåller mycket kol för att kunna växa konstgjord diamant (ex. vis. metangas, acetylengas). En del forskare har lyckats med att tillverka diamant i svetslågor.

Varför är stenar hårda?

Om något känns hårt eller mjukt beror på om man kan ändra formen på föremålet. Olika slags sten (mineral) är olika hårda, det finns sådana man kan smula sönder med händerna och sådana som kräver mycket mer kraft för att ändra form. 
Men även storleken har betydelse: En näve fuktig sand, en gatsten eller en klippa kan kemiskt ha samma uppbyggnad men klippan och gatstenen känns hårdare än sanden, där sandkornen lätt flyttas i förhållande till varandra. Det är på samma sätt om man” tittar in” i stenarna, på de atomer som tillsammans bygger upp mineralen. Om alla atomer sitter bundna till varandra på ett sådant sätt att de inte lätt kan flytta på sig blir det svårt att ändra formen på stenen. Diamant (en form av grundämnet kol) har bara sådana starka bindningar, och diamant är också det hårdaste mineralet i naturen. Finns det också svaga bindningar blir också ”stenen” mindre hård. Grafit, en annan form av grundämnet kol som används i blyertspennor, har en skiktstruktur med starka bindningar inom varje skikt och svaga emellan, som en bunt papper. Skikten kan förflyttas i förhållande till varandra och en ”sten” av grafit känns då mjuk.

Varför fastnar det i klibbiga saker?

Tejp är klibbigt mot handen, en slickad klubba likaså. Bägge kan kladda fast på en vägg så att de inte kan tas bort utan att skada väggen. Det vi ser är en förstoring av det som händer mellan de molekyler som bygger upp klubbans yta och de som finns på väggens yta. För att något ska fästa mot något annat krävs någon slags bindning, den mellan det kladdiga och det som kladdar fast. Det finns olika slags bindningar mellan molekyler, från väldigt svaga till ganska starka (men svagare än de som finns mellan atomerna i molekylerna). Många klibbiga saker (tapetklister, den slickade klubban...) har sockermolekyler längst ut som fäster mycket bra mot väldigt många olika sorters ytor, och allra bäst mot ytor som själva har sockermolekyler på sig (träväggar, bomullsfickor...).

Varför blir det bubblor i ett glas vatten som får stå?

Ett rent glas med vattenledningsvatten som får stå i rumstemperatur får snart små bubblor på sidorna. Bubblorna består av luft som funnits i vattnet. Det finns inte mycket luft i vatten, men tillräckligt för att fiskar ska kunna andas. Det finns också mer luft i kallt än i varmt vatten. 

Bubblorna på glasets sidor bildas eftersom luftens molekyler trivs bättre när de är tillsammans än när de är utspridda bland vattenmolekylerna. Luftmolekylerna samlas kring små ojämnheter på glaset. Tittar man noga och gör experimentet flera gånger ser man att bubblorna alltid kommer på samma ställen, något man också kan se i kastruller när man kokar upp vatten.